当我们向太空望去时，我们看到的所有物体都嵌入了磁场。这不仅在恒星和行星附近如此，在星系和星系团之间的深空中也是如此。这些磁场非常弱，通常比冰箱还弱。粘附的磁铁要弱得多，但它们非常重要，因为它们对宇宙的动力学有着深远的影响。
尽管经过数十年的研究，这些宇宙磁场的起源仍然是宇宙学中最深奥的谜团之一。
在之前的研究中，科学家们了解到湍流（所有类型的流体中常见的搅动运动）如何通过发电机过程放大预先存在的磁场。但这一令人惊讶的发现进一步揭开了谜团。更深入地说磁场的基本性质，如果湍流发电机效应只能放大现有磁场，那么“种子”磁场首先来自哪里？
为了获得天体物理磁场起源的完整且自洽的答案，我们必须探索这些磁场的最初起源。
一组科学家的新研究给出了答案，展示了宇宙产生磁场的基本过程，从完全非磁化状态到磁场变得足够强以至于发电机机制可以接管并放大我们观察到的磁场。
磁场无处不在
宇宙中随处可见自然产生的磁场。
数千年来，人类通过磁场与磁化矿物（如天然磁石）的相互作用而了解磁场。甚至在我们的祖先对其性质或起源有任何了解之前，磁场就被用于导航等方面。
20 世纪初，人们因其对太阳光谱的影响而发现了太阳磁性，此后，深空更强大的望远镜发现这些磁场无处不在。
尽管科学家早就学会了如何制造和使用磁铁和电磁铁，它们在地球上有各种实际应用，但宇宙中磁场的自然起源仍然是一个谜。
发电机效应
科学家们开始思考这个问题，他们首先考虑的是实验室中电场和磁场的产生方式。当导体（例如铜线）穿过磁场时，就会产生电场。这个场或电压可以驱动电流。这就是我们每天都能看到的。我们使用的电是如何产生的。正是通过这种感应过程网校头条，发电机可以将机械能转化为电磁能，为我们的家庭和办公室供电。
发电机的一个关键特性是需要磁场才能工作。但宇宙中没有明显的“电线”或巨大的钢结构，那么磁场是如何产生的呢？
这个问题的进展始于大约一个世纪前，当时科学家们对地球磁场的起源感到疑惑。对地震波传播的研究表明，在相对较冷的地幔表面之下，地球的大部分实际上是液体，并且具有由熔融的镍和铁组成的磁场。地核由熔融的镍和铁组成。研究人员推测，这种热的导电液体的对流运动与地球的自转相结合，以某种方式产生了地球磁场。
行星发电机效应示意图。图为古代月球。（图片/Hernán Cañellas，麻省理工学院）
最后，一些模型展示了对流运动如何放大现有的磁场。这是自组织的例子，这种特征经常出现在复杂的动态系统中，其中大规模结构自发地从小规模动态中出现。但就像在发电站一样，你需要一个磁场来创造磁场。
整个宇宙中都发生着类似的过程。然而，在恒星和星系以及它们之间的空间中，导电的流体不是熔融的金属，而是等离子体，一种在极高温度下存在的物质状态。电子从原子中“撕裂”出来。在这样的介质中，发电机效应可以放大现有的磁场，只要它从某个最小水平开始。
创建第一个磁场
那么问题来了，这最初的“种子田”从何而来？
在新的研究中，科学家们开发了一种基础理论，并在强大的超级计算机上进行了数值模拟，展示了种子场是如何产生的，以及其中的基本过程是什么。
恒星和星系间等离子体的一个重要特征是极其弥散，通常每立方米仅包含约一个粒子。这与恒星内部的条件形成鲜明对比，恒星内部的粒子密度高出 30 个数量级。低密度意味着宇宙等离子体中的粒子永远不会发生碰撞，这对它们的行为有重要影响。
研究小组的计算追踪了这些等离子体的动态，这些等离子体由有序波发展而来，但随着振幅的增加和相互作用变得极其非线性，它们也会变得湍流。
通过详细探索小尺度等离子体动力学对宏观天体物理过程的影响，研究最终证明初始磁场可以由类似剪切流的普遍大尺度运动自发产生，并转化为磁能。
第一原理数值模拟中非磁化等离子体大规模运动产生的丝状种子磁场的可视化。（图片/麻省理工学院）
他们计算的一个重要结果是预期自发产生的磁场振幅。这表明，磁场振幅可以从零升高到等离子体被“磁化”的水平，也就是说，等离子体的动力学受到磁场存在的强烈影响。从这一刻起，传统的发电机机制就可以发挥作用，将磁场提升到观察到的水平。
因此，这项研究代表了宇宙尺度磁场产生的自洽模型。
了解宇宙磁成因的第一步
“尽管宇宙学领域几十年来取得了显著进展，但宇宙磁场的起源仍是一个谜，”研究人员表示，“看到最先进的等离子体物理理论和数值模拟被用于解决这一基本问题，令人兴奋不已。”这是一种非常美妙的感觉。
研究团队将继续完善他们的模型，研究从种子场的创建到发生器的放大阶段的“交接”，他们未来研究的一个重要部分将是确定这个过程是否能在与天文观测一致的时间尺度上产生影响。
研究人员认为磁场的基本性质，这项工作为建立理解宇宙磁力形成的新范式迈出了第一步。
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原作者：（麻省理工学院和）
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